趙文芳 劉旭林 聶 凱

1)(北京市氣象信息中心，北京 100089)2)(北京市氣象探測中心,北京 100089)

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基于WebGIS的氣象綜合顯示系統(tǒng)改進(jìn)與實現(xiàn)

趙文芳1)劉旭林2)*聶 凱1)

1)(北京市氣象信息中心，北京 100089)2)(北京市氣象探測中心,北京 100089)

針對基于WebGIS的氣象信息顯示和查詢系統(tǒng)在應(yīng)用中存在交互性差、響應(yīng)速度慢、可擴(kuò)展性不強等問題,引入MapServer開源應(yīng)用框架pMapper，對框架的技術(shù)路線進(jìn)行探討，并提出在pMapper框架下實現(xiàn)基于Ajax的WebGIS方案，最后通過修改源代碼和開發(fā)嵌入式組件快速構(gòu)建基于Ajax的WebGIS氣象綜合顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)原業(yè)務(wù)系統(tǒng)的升級。通過在實際業(yè)務(wù)中使用證明，改進(jìn)后的系統(tǒng)可有效提高WebGIS 的運行效率，可支持100～150用戶并發(fā)；多數(shù)頁面平均響應(yīng)時間在3 s之內(nèi)?；趐Mapper框架開發(fā)WebGIS僅需要15～30 d，提高了開發(fā)效率，為WebGIS開發(fā)人員提供了一種快速構(gòu)建WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)的新思路。

WebGIS; MapServer; 網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)

引 言

2006年北京市氣象局建立了基于WebGIS氣象信息顯示和查詢系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)以開源MapServer為開發(fā)平臺，采用傳統(tǒng)的WebGIS實現(xiàn)方法Java Applet，結(jié)合超文本預(yù)處理器(PHP)技術(shù)初步實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)在WebGIS下的發(fā)布、查詢、統(tǒng)計等功能。但隨著氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和需求的變化，該系統(tǒng)在長期運行中出現(xiàn)了一些問題。首先，傳統(tǒng)的Java Applet方法存在一定局限性。它只能通過在HTML(HyperText Markup Language)文件中嵌入 〈Applet〉標(biāo)簽完成圖形的顯示、移動、拉框放大縮小和漫游等操作，不能支持鼠標(biāo)滾動縮放地圖、鼠標(biāo)拖拽等操作，地圖可操作性不高。其次，頁面是基于整體刷新模式的，隨著客戶端并發(fā)請求的增加經(jīng)常出現(xiàn)響應(yīng)請求超時、地圖數(shù)據(jù)無法正常更新導(dǎo)致頁面出現(xiàn)空白區(qū)等缺點。 因此，該系統(tǒng)需要完善功能，提升性能以支撐基礎(chǔ)氣象信息綜合顯示業(yè)務(wù)。

Ajax(Asynchronous Javascript and XML)是一種用于創(chuàng)建快速動態(tài)網(wǎng)頁的技術(shù)，通過在后臺與服務(wù)器進(jìn)行少量數(shù)據(jù)交換使網(wǎng)頁實現(xiàn)異步更新。它的出現(xiàn)使瀏覽器可以為用戶提供更為自然的瀏覽體驗，也為WebGIS的實現(xiàn)提供了新的解決思路[2-6]。本文在了解MapServe的發(fā)展動態(tài)[7]和Ajax技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入MapServer的開源應(yīng)用框架pMapper[8]，提出基于pMapper框架開發(fā)WebGIS的方法，實現(xiàn)基于Ajax的WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)的快速重新構(gòu)建，并對相應(yīng)的實現(xiàn)方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 pMapper框架簡介

pMapper是一個MapServer的應(yīng)用框架[9-12]，它由一系列的PHP，JavaScript，CSS(Cascading Style Sheets)，XML(eXtensible Markup Language)文件組成。pMapper框架實現(xiàn)了基于Ajax的WebGIS，具備地圖操作、空間分析、屬性查詢和空間檢索等功能，同時支持用戶開發(fā)嵌入式組件[13-15]實現(xiàn)一些個性化功能。

pMapper框架用到的關(guān)鍵技術(shù)包括服務(wù)器端和客戶。服務(wù)器端主要是PHP/Mapscript類庫的開發(fā)，pMapper框架將MapScript(MapServer的PHP模塊)提供的API封裝成類和公共函數(shù)支撐各類應(yīng)用，如繪制地圖、創(chuàng)建圖例、圖層管理、查詢檢索、響應(yīng)Ajax請求的處理?？蛻舳酥饕荍avaScrip的容器和類。在客戶端，pMapper框架有一個非常重要的JavaScript全局對象，它相當(dāng)于一個容器，包含一些全局變量和類對象，負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶發(fā)出請求。其中，主要的類對象包括動態(tài)地圖Map類、圖層圖例管理類、屬性查詢類、頁面布局類、鼠標(biāo)鍵盤消息類等。pMapper框架使用Ajax完成服務(wù)器端和客戶端之間的數(shù)據(jù)交換。

pMapper框架的優(yōu)點包括：①可降低開發(fā)難度，減少開發(fā)工作?；趐Mapper的主要開發(fā)工作集中在客戶端，有Web開發(fā)經(jīng)驗的程序員僅需要15～30 d即可完成開發(fā)工作；反之若沒有框架的技術(shù)支持進(jìn)行基于Ajax的WebGIS開發(fā)，可能需要3～6個月。② pMapper框架是開源項目，透明度好，漏洞的發(fā)現(xiàn)和解決，新功能的提出都很快，用戶可以隨時獲取最新信息。因此，基于pMapper框架開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，能更好地適用變化的用戶需求。

2 系統(tǒng)總體框架及主要功能

2.1 系統(tǒng)總體框架

圖1顯示了系統(tǒng)的4層體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)層包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫、GIS空間庫、文件系統(tǒng)，是整個應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)訪問層提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)，發(fā)布一些接口功能函數(shù)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用服務(wù)器層是用戶層和數(shù)據(jù)訪問層之間的互動代理，負(fù)責(zé)信息管理與用戶請求加工。用戶層通常也稱之為表現(xiàn)層，基于瀏覽器為用戶呈現(xiàn)一個豐富的、具有高交互性的可視化界面，以圖文一體化的方式顯示空間和屬性信息，同時也為用戶提供地圖交互、信息查詢、地圖分析的交互功能。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of system

2.2 運行流程

pMapper框架的客戶端頁面基于PHP語言，用戶通過客戶端瀏覽器訪問相應(yīng)的URL(Uniform Resource Locator)時，pMapper框架會快速構(gòu)建用戶界面(組成HTML頁面的導(dǎo)航欄、菜單、工具欄、輸入框等)，然后調(diào)用地圖服務(wù)加載地圖數(shù)據(jù)完成頁面動態(tài)構(gòu)建過程。

pMapper框架是一個開源項目，其官方網(wǎng)站提供的文檔比較簡單，缺乏對整體運行流程的相關(guān)闡述，這給基于框架的二次開發(fā)工作帶來了不便。因此，本文通過分析追蹤框架源代碼總結(jié)了pMapper框架的整體運行流程如圖2所示。該流程可分為以下幾個過程：①初始化PHP全局變量、公共靜態(tài)類對象、加載全局函數(shù)、讀取配置文件。②讀取MapServer的配置文件，生成地圖對象實例，加載圖層圖例相關(guān)類對象，初始化地圖大小、范圍、比例尺等。③創(chuàng)建頁面HTML元素。④加載系列JavaScript對象，初始化全局JavaScript類對象。⑤創(chuàng)建地圖圖像，由JavaScript發(fā)送數(shù)據(jù)請求(包含獲取圖層、地圖范圍、地圖長寬高等參數(shù))，服務(wù)器端繪制地圖保存到指定目錄返回結(jié)果給客戶端。⑥利用JavaScript 動態(tài)輸出HTML元素，包括地圖、地圖圖層、工具欄等，設(shè)置一些元素的默認(rèn)狀態(tài)，完成頁面構(gòu)建和數(shù)據(jù)加載。

圖2 頁面構(gòu)建流程Fig.2 Work flow of system

2.3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能包括實時資料的顯示、要素的統(tǒng)計查詢、預(yù)警等，對站點的操作包括站點快速定位、站點查詢、站點表格數(shù)據(jù)顯示等。

2.3.1 系統(tǒng)主界面

由圖3可以看到系統(tǒng)的頁面布局，即由橫跨頂部頁頭、3列內(nèi)容以及橫跨底部的頁腳組成，3列內(nèi)容的左側(cè)是功能導(dǎo)航菜單，中間是地圖及數(shù)據(jù)顯示區(qū)，右側(cè)為圖層列表和鷹眼區(qū)。地圖區(qū)域上方為工具欄。

圖3 系統(tǒng)主界面Fig.3 Main user interface of system

2.3.2 實時資料顯示

實時資料顯示包括多要素的分層顯示和單要素分級顯示。多要素分層顯示是指常規(guī)要素站點填圖菜單，主要完成自動氣象站要素(溫、壓、濕、風(fēng)等)的分層顯示。單要素分級是指單要素顯示菜單，分別顯示溫、壓、濕、風(fēng)、降水5個要素，按預(yù)先設(shè)定好的閾值將每一種要素分為二級，高于此閾值的點用紅色表示，低于此閾值的點用藍(lán)色表示，閾值可以動態(tài)調(diào)整。這兩個功能支持1年內(nèi)的自動氣象站實況數(shù)據(jù)按時間查詢，數(shù)據(jù)的更新間隔為5 min。

2.3.3 要素統(tǒng)計

要素統(tǒng)計包括固定時次統(tǒng)計和動態(tài)時段統(tǒng)計。固定時次統(tǒng)計主要指近3，6，12，24 h的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速極值統(tǒng)計和累積降水量統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果以色斑圖和站點疊加的方式顯示在地圖上，同時還支持在彈出框窗口以表格方式顯示統(tǒng)計結(jié)果，并提供表格數(shù)據(jù)下載。動態(tài)時段統(tǒng)計是指用戶輸入起始時間和結(jié)束時間并提交請求，在地圖上動態(tài)顯示統(tǒng)計結(jié)果。

2.3.4 預(yù) 警

氣溫、降水、風(fēng)速預(yù)警顯示用紅色警示超過閾值站點，醒目直觀。系統(tǒng)支持動態(tài)修改要素的閾值，如高溫預(yù)警閾值(默認(rèn)為35℃)、低溫預(yù)警閾值(默認(rèn)為-10℃)、最大2 min風(fēng)速閾值(默認(rèn)為8 m/s)、最大陣風(fēng)風(fēng)速(默認(rèn)為17.1 m/s)，可以根據(jù)不同季節(jié)設(shè)定。

2.3.5 表格數(shù)據(jù)顯示

點擊表格顯示按鈕，將在彈出窗口中以表格形式顯示相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，點擊表格中某站點，地圖將迅速定位到以該站點為中心，并以藍(lán)色圓圈突出顯示。不同頁面，表格數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容有差別。如常規(guī)要素站點填圖頁面，表格數(shù)據(jù)顯示站點某一時刻的所有觀測要素，溫度統(tǒng)計頁面的表格數(shù)據(jù)顯示某一時刻所有站的溫度統(tǒng)計結(jié)果。

3 主要開發(fā)工作

3.1 主要技術(shù)路線

pMapper是一個基于Ajax技術(shù)的WebGIS應(yīng)用框架，提供基本的地圖操作和簡單的空間分析、查詢和檢索等功能，可支持多種風(fēng)格的Web頁面，但也存在一些缺點。如Web頁面布局不能完全符合用戶使用習(xí)慣，查詢結(jié)果的顯示方式和內(nèi)容也不能完全滿足用戶需求。因此，基于pMapper框架的WebGIS開發(fā)工作應(yīng)側(cè)重于以開發(fā)符合用戶習(xí)慣的圖形用戶接口(GUI)、開發(fā)獨立的插件、修改源代碼等方面。

開發(fā)符合用戶習(xí)慣的GUI可以通過修改pMapper框架提供的配置文件和嵌入的JQueryUI 源碼來實現(xiàn)；獨立的插件開發(fā)和源代碼修改則需要在深入分析pMapper框架原有功能實現(xiàn)原理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。pMapper框架將用戶與地圖的操作進(jìn)行分類處理，不同的操作觸發(fā)不同的請求并返回JSON(JavaScript Object Notation)格式的數(shù)據(jù)或者地圖文件。開發(fā)人員需要了解每一類操作和對應(yīng)的請求處理流程，然后對返回的JSON數(shù)據(jù)進(jìn)行不同處理，即可實現(xiàn)查詢結(jié)果的個性化顯示[16]。

3.2 主要開發(fā)工作

3.2.1 嵌入式插件的開發(fā)

用戶個性化的功能可以通過嵌入式插件實現(xiàn)。用戶可以在pMapper官方網(wǎng)站上下載插件，也可以選擇自己開發(fā)。嵌入式插件由JavaScript，CSS，PHP 3類文件構(gòu)成，其開發(fā)可分為以下4步：①創(chuàng)建一個新JavaScript 對象(包括成員變量和函數(shù))，在全局容器中添加此對象的引用；這個新JavaScript 對象的成員函數(shù)主要用于鼠標(biāo)消息處理和解析PHP頁面返回的數(shù)據(jù)結(jié)果。②創(chuàng)建PHP函數(shù)用來處理客戶端請求并返回數(shù)據(jù)結(jié)果。③在應(yīng)用中調(diào)用這些組件對象并賦予不同的屬性值,使其產(chǎn)生不同的Ajax 效果。④在全局配置文件中添加組件管理配置信息。

氣象要素閾值的動態(tài)設(shè)置和氣象要素的表格顯示功能通過開發(fā)插件實現(xiàn)。

3.2.2 修改源代碼完善已有功能

修改源代碼首先分析原有功能實現(xiàn)的流程，重點剖析頁面相應(yīng)的CSS和JavaScript鼠標(biāo)消息響應(yīng)事件、向服務(wù)器發(fā)送哪一類請求(如加載地圖、屬性查詢、空間定位等)、服務(wù)器端如何進(jìn)行相應(yīng)的請求處理、客戶端對返回結(jié)果的解析等環(huán)節(jié)，然后根據(jù)具體需求修改源代碼。通過該方法，系統(tǒng)實現(xiàn)了工具欄My97日歷控件的嵌入、按行政分區(qū)查看地圖、氣象站點查詢等功能。

3.2.2.1 工具欄嵌入日歷

選擇My97日歷控件作為系統(tǒng)的日期時間控件，創(chuàng)建一個輸入框標(biāo)簽和圖片標(biāo)簽，通過綁定HTML元素標(biāo)識符(ID)和鼠標(biāo)消息響應(yīng)事件實現(xiàn)日歷調(diào)用實現(xiàn)日期時間輸入和選擇功能。

3.2.2.2 按行政分區(qū)查看

按行政分區(qū)查看功能是指在頁面工具欄提供一個行政分區(qū)列表，用戶選擇不同的行政分區(qū)后地圖范圍隨之動態(tài)變化。如用戶選擇北京城區(qū)，地圖顯示范圍是城區(qū)，用戶選擇昌平區(qū)地圖隨之變?yōu)椴絽^(qū)范圍，通常北京市氣象局預(yù)報員關(guān)注北京市自動氣象站實況，各區(qū)縣氣象局預(yù)報員則側(cè)重關(guān)注該區(qū)自動氣象站實況。

該功能實現(xiàn)主要方法為增加一個下拉列表標(biāo)簽，修改其對應(yīng)的change(function())消息響應(yīng)函數(shù)，將每個行政分區(qū)的地理坐標(biāo)范圍作為傳遞參數(shù)向地圖服務(wù)器發(fā)送Ajax請求，實現(xiàn)頁面地圖顯示區(qū)數(shù)據(jù)的更新和整個頁面的局部刷新。

3.2.2.3 站點查詢

站點查詢，即在地圖上點擊某個站點，將在彈出窗口顯示站點的氣象要素表和24 h時序圖，鼠標(biāo)移動到站點上方，在提示框顯示站點當(dāng)前時次的觀測要素值。

該功能首先創(chuàng)建一個PHP腳本用于實現(xiàn)站點24 h要素表和曲線圖的顯示，傳入?yún)?shù)包括站點、觀測時間；然后修改相應(yīng)的消息函數(shù)，將Ajax請求指向PHP腳本，即可實現(xiàn)在彈出窗口顯示表格和曲線圖功能。

3.2.2.4 站點快速定位

站點的快速定位功能提供了一個站點下拉列表，當(dāng)用戶選中站點后地圖會迅速定位到這個站點，站點在地圖上居中高亮度顯示。

其實現(xiàn)是在頁面添加一個下拉列表，修改對應(yīng)的change(function())消息響應(yīng)函數(shù)，增加向地圖服務(wù)器發(fā)送站點查詢請求和處理返回結(jié)果等代碼。

4 系統(tǒng)性能

原有系統(tǒng)在用戶并發(fā)數(shù)達(dá)到50以上,平均請求響應(yīng)耗時3～6 s，如果并發(fā)數(shù)達(dá)到80以上，頁面會出現(xiàn)空白或者地圖區(qū)域出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象。相比之下，改進(jìn)后的系統(tǒng)響應(yīng)速度大幅度提高，用戶的體驗效果得到進(jìn)一步改善，瀏覽器兼容性也得到增強。改進(jìn)后的系統(tǒng)能支持100～150個用戶并發(fā)；絕大多數(shù)頁面的平均響應(yīng)時間在3 s之內(nèi)，如自動氣象站實況頁面、溫度統(tǒng)計、風(fēng)要素統(tǒng)計頁面，而動態(tài)時段降水統(tǒng)計頁面平均響應(yīng)時間為5～6 s。從Web流量監(jiān)控分析結(jié)果看，有天氣過程時候用戶訪問量會突然增長，瀏覽最多的5類頁面是自動氣象站5 min實況、1 h實況、固定時次降水統(tǒng)計、動態(tài)時段降水統(tǒng)計和溫度統(tǒng)計；訪問時段峰值出現(xiàn)在08:00(北京時，下同)和16：00；訪問最多的用戶群為北京市氣象臺。

5 結(jié)論與討論

本文總結(jié)出的pMapper框架的運行流程以及文中給出的運行流程圖可以幫助讀者更好地理解pMapper框架工作原理，具有一定的參考價值。對于非GIS專業(yè)的程序員來說，利用pMapper框架開發(fā)基于Ajax的WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)是一個省時、省力的選擇。系統(tǒng)建設(shè)表明，基于Ajax的WebGIS與傳統(tǒng)的WebGIS相比，在技術(shù)路線、實現(xiàn)方法上存在很大差異，因此，在利用pMapper框架開發(fā)WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)時需要注意以下幾點：

1) 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計圍繞客戶端發(fā)請求、服務(wù)器端解析請求返回數(shù)據(jù)、客戶端處理返回數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)進(jìn)行。

2) 充分利用pMapper框架的日志信息進(jìn)行測試功能、調(diào)試代碼等工作。pMapper框架在配置文件中設(shè)置了調(diào)試等級，開發(fā)人員可以通過修改調(diào)試等級這個參數(shù)獲取更詳細(xì)的日志信息，從而進(jìn)行更有效的代碼分析診斷。

3) pMapper框架是一個開源項目，其官方網(wǎng)站上的論壇里有很多專家專門負(fù)責(zé)回答用戶疑問，且響應(yīng)速度很快。因此，開發(fā)人員可以通過在論壇里發(fā)起某個技術(shù)的討論、提出問題等方式解決一些技術(shù)難點，從而加快整體開發(fā)進(jìn)度并提高自身的開發(fā)水平。

基于WebGIS的氣象綜合顯示系統(tǒng)實現(xiàn)了高時空分辨率的自動氣象站數(shù)據(jù)在WebGIS下的發(fā)布、查詢和空間分析，其建立為氣象預(yù)報員提供了一個氣象信息輔助決策平臺，也便于監(jiān)視天氣的變化，具有良好的應(yīng)用前景。除了北京本地自動氣象站，預(yù)報員也需要使用周邊京津冀自動氣象站數(shù)據(jù)。因此，如何將pMapper框架和地圖緩存機(jī)制、并發(fā)訪問技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)幾千個京津冀自動氣象站在該系統(tǒng)中的及時快速共享將是下一步要進(jìn)行的工作。

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Improved Implementation of Meteorological Integrated Display System Based on WebGIS

Zhao Wenfang1)Liu Xulin2)Nie Kai1)

1)(BeijingMeteorologicalInformationCenter,Beijing100089)2)(BeijingMeteorologicalObservationCenter,Beijing100089)

In order to overcome shortcomings of traditional WebGIS implementation method, an application framework of WebGIS based on Ajax is introduced and real-time meteorological data integrated displaying system is established, which can provide quick displaying and querying of meteorological data.

pMapper is a MapServer application framework based on PHP/MapScript, composed of a series of PHP, JavaScript, CSS and XML files. It offers broad functionality and multiple configurations to facilitate the setup of WebGIS based on Ajax, including map operation, spatial analysis, and attribution query functions. Meanwhile, custom plugins can be supported to extend the framework. There are two advantages to develop WebGIS based on Ajax by using this framework: Developer-friendly and open source.

On the basis of its characteristics and advantages, the main development method under this framework is also discussed. In order to provide a user-center GUI, some new CSS templates and custom plugins are embedded into the framework. In addition, some source codes are modified to present better query result table and charts on the Web. The real-time meteorological data integrated displaying system provides friendly map operation, quick querying and displaying of different meteorological data, and the visualization of statistics charts for observation elements, e.g., temperature, precipitation and wind. Meanwhile, it also provides analysis of rainfall contour overlaid on the map. The system consists of four layers: Data layer, data interface layer, business logic layer and client layer. The data layer on the bottom mainly stores and provides fundamental data for data interface layer which consists of various data access services. The business logic layer provides specific business logic processing and WebGIS services, responding to requests from the client layer, which provides all kinds of meteorological information dynamically and instantly through a friendly browser interface. At present, this system is on trial for more than one year in the Beijing Meteorological Bureau, providing high performance and better data sharing services. The system brings high performance and better user experience, shortening the average response time of most Web pages to less than 3 seconds, and it can support 100-150 concurrent users. The peak access time is 0800 BT and 1600 BT every day, but the total Web traffic will suddenly increase when high impact weather happens. The top three visited pages are automatic weather station page, radar products page, and nowcast products page, and visitors mainly come from Beijing Meteorological Center.

WebGIS; MapServer; Web map service

10.11898/1001-7313.20150314

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201206031)

趙文芳,劉旭林,聶凱. 基于WebGIS的氣象綜合顯示系統(tǒng)改進(jìn)與實現(xiàn). 應(yīng)用氣象學(xué)報，2015，26(3)：378-384.

2014-10-31收到， 2015-01-15收到再改稿。

* 通信作者， email: lxulin@bjmb.gov.cn